1. Principes fondamentaux de l'électricité pour l'analyste des vibrations

Avant de diagnostiquer les défauts du moteur à partir des spectres de vibration, il est essentiel de comprendre les principales fréquences électriques qui sont à l'origine des vibrations du moteur.

1.1. Fréquence de ligne (LF)

La fréquence d'alimentation CA : 50 Hz dans la majeure partie de l'Europe, de l'Asie, de l'Afrique et de la Russie ; 60 Hz en Amérique du Nord et dans certaines régions d'Amérique du Sud et d'Asie. Toutes les forces électromagnétiques du moteur proviennent de cette fréquence.

1.2. Fréquence de ligne doublée (2×LF)

Le fréquence de la force électromagnétique dominante dans les moteurs à courant alternatif. Dans un système de 50 Hz, 2×LF = 100 Hz; dans un système à 60 Hz, 2×LF = 120 Hz. La force d'attraction magnétique entre le stator et le rotor atteint son maximum deux fois par cycle électrique, ce qui fait de 2×LF la fréquence fondamentale de " vibration électrique " de chaque moteur à courant alternatif.

1.3. Vitesse synchrone et glissement

Le champ magnétique du stator tourne à la vitesse synchrone :

où P Le nombre de pôles est un facteur important. Le rotor d'un moteur à induction tourne toujours légèrement plus lentement. Cette différence est glisser:

Glissement typique à pleine charge pour les moteurs à induction standard : 1–5%. Pour un moteur bipolaire à 50 Hz : N_s = 3000 tr/min, vitesse réelle ≈ 2940–2970 tr/min.

1.4. Fréquence de passage du pôle (F_p)

La vitesse à laquelle les pôles du rotor " glissent " devant les pôles du stator. Le résultat est universel — indépendamment du nombre de pôles :

Pour un moteur fonctionnant à 50 Hz avec un glissement de 2% : F_p = 2 × 0,02 × 50 = 2 Hz. Cette fréquence apparaît sous forme de bandes latérales caractéristiques dans les spectres des barres de rotor cassées.

1.5. Fréquence de passage de la barre du rotor

Où R représente le nombre de barres du rotor. Cette fréquence et ses bandes latérales deviennent significatives lorsque les barres du rotor sont endommagées.

1.6. Tableau de référence des fréquences clés

StatorRotorEnroulementsEntreferMécaniqueAxial Toute distorsion de l'entrefer modifie directement l'attraction magnétique, ce qui change immédiatement le mode de vibration. Le symbole ± indique les bandes latérales (modulation).

2. Aperçu des méthodes de diagnostic

Aucune technique ne permet à elle seule de détecter tous les défauts des moteurs électriques. Un programme de diagnostic performant combine plusieurs méthodes complémentaires :

VibrationsMCSAESAMCAThermographie Aucune méthode ne permet une couverture complète. Une approche diagnostique combinée est fortement recommandée.

2.1. Analyse spectrale des vibrations

L'outil principal pour le diagnostic de la plupart des équipements rotatifs. Les accéléromètres placés sur les paliers capturent des spectres révélant des défauts mécaniques (balourd, défaut d'alignement, usure des paliers) et certains défauts électriques (entrefer irrégulier, enroulements desserrés). Cependant, L'analyse vibratoire seule ne permet pas de détecter tous les défauts électriques du moteur..

2.2. Analyse de la signature du courant moteur (MCSA)

Une pince ampèremétrique placée sur une phase permet de capturer le spectre du courant. Des barres de rotor cassées produisent des bandes latérales à LF ± F p. L'examen MCSA se déroule en ligne et est totalement non invasif.

2.3. Analyse de la signature électrique (ESA)

Analyse simultanément les spectres de tension et de courant au niveau du MCC. Détecte les asymétries de tension d'alimentation, la distorsion harmonique et les problèmes de qualité de l'énergie.

2.4. Analyse du circuit moteur (MCA)

Un hors ligne Test mesurant la résistance entre phases, l'inductance, l'impédance et la résistance d'isolement. Essentiel lors des arrêts pour maintenance.

2.5. Surveillance de la température

Le suivi de la température des enroulements du stator et de la température des paliers permet de détecter rapidement les surcharges, les problèmes de refroidissement et la dégradation de l'isolation.

3. Défauts du stator

Les défauts du stator sont responsables d'environ 23–37% de toutes les pannes de moteur. Le stator est la partie fixe contenant le noyau de fer feuilleté et les enroulements. Les défauts produisent des vibrations principalement au niveau des spires. 2×LF (100 Hz / 120 Hz) et ses multiples.

3.1. Excentricité du stator — Entrefer irrégulier

L'entrefer entre le rotor et le stator est généralement 0,25–2 mm. Même une variante 10% crée un déséquilibre mesurable de la force électromagnétique.

Causes

• Pied mou — la cause la plus fréquente
• paliers usés ou endommagés
• Déformation du cadre due à un transport ou une installation incorrects
• Distorsion thermique en conditions de fonctionnement
• Tolérances de fabrication insuffisantes

Signature spectrale

• 2×LF généralement dominant dans le spectre de vitesse radiale
• Souvent accompagné d'une légère augmentation de 1X et 2X en raison d'une attraction magnétique déséquilibrée (UMP)
• Excentricité statique : 2×LF domine avec une faible modulation
• Composant dynamique : bandes latérales à 2×LF ± 1X peut apparaître

Évaluation de la gravité

Remarque : Ces indications sont données à titre indicatif et ne constituent pas une norme officielle. Il convient toujours de comparer les résultats avec les valeurs de référence propres à la machine.

Test de confirmation

Test de mise hors tension (test de rupture) : Tout en surveillant les vibrations, mettre le moteur hors tension. Si le pic 2×LF est atteint, le moteur est mis hors tension. chute brutale — en quelques secondes, bien plus rapidement que la décélération mécanique — la source est électromagnétique.

3.2. Enroulements de stator lâches

Les enroulements du stator sont soumis à des forces électromagnétiques à 2×LF à chaque cycle de fonctionnement. Au fil des années, la fixation mécanique (époxy, vernis, cales) peut se dégrader. Les enroulements desserrés vibrent alors à 2×LF avec une amplitude croissante, accélérant l'usure de l'isolant par frottement.

Signature spectrale

• Vibrations principalement radiales
• Le mode 2×LF peut être moins stable — légères fluctuations d'amplitude
• Cas graves : harmoniques à 4×LF, 6×LF

Conséquences

C'est destructeur pour l'isolation des enroulements — entraîne une dégradation accélérée, des défauts à la terre imprévisibles et une défaillance complète du stator nécessitant un rebobinage.

3.3. Câble d'alimentation desserré — Asymétrie de phase

Un mauvais contact crée une asymétrie de résistance. Même asymétrie de tension 1% causes environ asymétrie du courant 6–10%. Les courants déséquilibrés créent une composante de champ magnétique tournant en sens inverse.

Signature spectrale

• L'amplitude 2×LF augmente en raison d'une attraction magnétique déséquilibrée.
• Dans certains cas, bandes latérales proches de ±⅓×LF (~16,7 Hz dans les systèmes à 50 Hz) autour du pic 2×LF
• Dans le spectre actuel (MCSA) : courant de séquence négative élevé

Contrôles pratiques

• Vérifiez toutes les terminaisons de câbles, les connexions des barres omnibus et les contacts des contacteurs.
• Mesurer la résistance entre phases — à 1% près l'une de l'autre
• Mesurez la tension d'alimentation sur les trois phases ; l'asymétrie ne doit pas dépasser 11 V TP3T.
• Thermographie infrarouge du boîtier de terminaison de câble

3.4. Laminations du stator en court-circuit

Les dommages à l'isolation inter-laminage permettent la circulation de courants de Foucault, créant des points chauds localisés. Ces points chauds ne sont pas toujours détectables dans les spectres de vibrations. La thermographie infrarouge est la principale méthode de détection. Hors ligne : test du noyau électromagnétique (test EL-CID).

3.5. Court-circuit entre spires

Un court-circuit entre spires crée une boucle de courant localisée, réduisant le nombre de spires effectives dans la bobine concernée. Il en résulte une augmentation de la puissance. 2×LF, élévation du troisième harmonique BF du courant et asymétrie du courant de phase. Détection optimale par test de surtension MCA hors ligne.

2×LF1X / 2Xbandes latérales Le test de mise hors tension confirme l'origine électromagnétique : si 2×LF chute brutalement lors de la mise hors tension (beaucoup plus rapidement que la décélération), la source est électromagnétique.

4. Défauts du rotor

Les défauts des rotors représentent environ 5–10% de défaillances de moteurs mais ce sont souvent les plus difficiles à détecter précocement.

4.1. Barres de rotor cassées et anneaux d'extrémité fissurés

Lorsqu'une barre se casse, la redistribution du courant crée une asymétrie magnétique locale — en fait une " zone magnétique lourde " qui tourne à la fréquence de glissement par rapport au champ du stator.

Signature vibratoire

• 1X pic avec bandes latérales à ± F_p. Pour un glissement de 50 Hz / 2% : bandes latérales à 1X ± 2 Hz
• Cas graves : bandes latérales supplémentaires à ± 2F_p, ± 3F_p
• 2×LF peut également afficher F_p bandes latérales

Signature MCSA

Échelle de gravité MCSA

Important : Le MCSA nécessite une charge stable proche des conditions nominales. À charge partielle, l’amplitude de la bande latérale diminue.

Forme d'onde temporelle

Les barres de rotor cassées produisent une caractéristique "motif de " battement » — L'amplitude se module à la fréquence de passage du pôle. Souvent visible avant que les bandes latérales spectrales ne deviennent prédominantes.

1Xbandes latérales ±FpBandes latérales MCSA La rupture des barres de rotor est idéalement confirmée par MCSA. Le spectre vibratoire suggère le défaut ; MCSA fournit une évaluation quantitative de sa gravité.

4.2. Excentricité du rotor (statique et dynamique)

Excentricité statique

Décalage de l'axe de l'arbre par rapport à l'alésage du stator. Produit une élévation 2×LF. En cours : harmoniques de l'encoche du rotor à f_RBPF ± LF.

Excentricité dynamique

Le centre du rotor orbite autour du centre de l'alésage du stator. Produit 1X avec 2 bandes latérales LF et une fréquence de passage de barre de rotor élevée. En courant : bandes latérales à LF ± f_pourrir.

En pratique, les deux types sont généralement présents simultanément — le schéma est une superposition.

4.3. Arc du rotor thermique

Les gros moteurs peuvent développer un gradient de température provoquant une déformation temporaire. 1X qui varie avec le temps Après le démarrage, la flèche augmente généralement pendant 15 à 60 minutes, puis se stabilise. L'angle de phase dérive à mesure que la flèche se forme. Pour la distinguer d'un déséquilibre mécanique (qui est stable), surveillez l'amplitude et la phase (1X) pendant 30 à 60 minutes après le démarrage.

4.4. Déplacement du champ électromagnétique (décalage axial)

Si le rotor est déplacement axial Par rapport au stator, la distribution du champ électromagnétique devient asymétrique axialement. Le rotor subit une oscillation. force électromagnétique axiale à 2×LF.

Causes

• Positionnement axial incorrect du rotor lors de l'assemblage ou après le remplacement des roulements
• L'usure des roulements peut entraîner un jeu axial excessif.
• poussée de l'arbre de la machine entraînée
• Dilatation thermique en cours de fonctionnement

Force électromagnétique axialeDécalage / surplombStator CLDétection Le courant Axial 2×LF, qui disparaît instantanément à la mise hors tension, est le principal élément de différenciation par rapport aux causes mécaniques.

5. Défauts électriques liés aux roulements

5.1. Courants de palier et électroérosion

La tension entre l'arbre et le carter provoque un courant électrique à travers les roulements. Sources : asymétrie magnétique, tension de mode commun du variateur de fréquence, charge statique. Les décharges répétées créent des piqûres microscopiques (Usinage par électroérosion) menant à cannelures — des rainures régulièrement espacées sur les pistes.

Signature spectrale

• Fréquences de défauts des roulements (BPFO, BPFI, BSF) avec des pics très uniformes et " nets "
• Niveau de bruit de fond à haute fréquence élevé dans le spectre d'accélération
• Avancé : son caractéristique de " planche à laver "

Prévention

• Roulements isolés (bagues revêtues)
• Balais de mise à la terre d'arbre (particulièrement pour les applications VFD)
• Filtres de mode commun sur la sortie VFD
• Mesure régulière de la tension d'arbre — crête inférieure à 0,5 V

6. Effets des variateurs de fréquence (VFD)

6.1. Décalage de fréquence

Toutes les fréquences électriques des moteurs varient proportionnellement à la fréquence de sortie du variateur de fréquence. Si le variateur fonctionne à 45 Hz, 2 × LF devient 90 Hz. Les bandes d'alarme doivent être adaptatif à la vitesse.

6.2. Harmoniques PWM

Des variations de fréquence (2–16 kHz) et des bandes latérales apparaissent dans les spectres. Elles peuvent provoquer des bruits audibles et des courants de roulement.

6.3. Excitation torsionnelle

Les harmoniques de bas ordre (5e, 7e, 11e, 13e) créent des pulsations de couple qui peuvent exciter les fréquences naturelles de torsion.

6.4. Excitation par résonance

Lorsqu'un variateur de fréquence balaie une plage de vitesses, les fréquences d'excitation peuvent chevaucher les fréquences naturelles de la structure. Il convient d'établir des diagrammes de vitesses critiques pour les équipements pilotés par variateur de fréquence.

7. Résumé du diagnostic différentiel

ÉlectriqueMécaniqueAnalyse 2×LFDéfauts du rotor Le test de coupure de courant est la première étape du diagnostic. Une fois l'origine électrique confirmée, la fréquence et la direction dominantes permettent d'affiner le diagnostic.

8. Techniques d'instrumentation et de mesure

8.1. Exigences de mesure des vibrations

8.2. Balanset-1A pour le diagnostic des moteurs

Le vibromètre portable à deux canaux Balanset-1A (VibroMera) offre des fonctionnalités essentielles pour le diagnostic des vibrations des moteurs :

Après avoir diagnostiqué et corrigé le défaut du moteur, le Balanset-1A peut être utilisé pour équilibrage in situ du rotor — en réalisant l’intégralité du processus de diagnostic et de correction sans retirer le moteur.

8.3. Meilleures pratiques de mesure

• Trois directions — vertical, horizontal et axial — sur chaque palier. L'axe est crucial pour le déplacement du champ électromagnétique.
• Préparer les surfaces — enlever la peinture et la rouille pour un couplage fiable de l'accéléromètre
• conditions d'état stationnaire — vitesse nominale, charge, température
• Conditions de fonctionnement record — vitesse, charge, tension, courant à chaque mesure
• Un timing régulier — mêmes conditions pour les comparaisons de tendances
• Test de mise hors tension En cas de suspicion de vibrations électriques — en quelques secondes, l'identification de la source est fiable

9. Références normatives

• GOST R ISO 20816-1-2021 — Vibrations. Mesure et évaluation des vibrations des machines. Partie 1. Directives générales.
• GOST R ISO 18436-2-2005 — Surveillance de l'état. Surveillance de l'état vibratoire. Partie 2. Formation et certification.
• ISO 20816-1:2016 — Vibrations mécaniques. Mesure et évaluation. Partie 1 : Directives générales.
• ISO 10816-3:2009 — Évaluation des vibrations des machines. Partie 3 : Machines industrielles > 15 kW.
• CEI 60034-14:2018 — Machines électriques tournantes. Partie 14 : Vibrations mécaniques.
• IEEE 43-2013 — Méthode recommandée pour tester la résistance d'isolation.
• IEEE 1415-2006 — Guide pour les essais de maintenance des machines à induction.
• NEMA MG 1-2021 — Moteurs et générateurs. Limites et essais de vibration.
• ISO 1940-1:2003 — Exigences de qualité d'équilibrage pour les rotors.

10. Conclusion

1. 2×LF est l'indicateur électromagnétique principal. Un pic important à exactement deux fois la fréquence d'alimentation suggère fortement une source électromagnétique. Le test hors tension le confirme.
2. L'orientation compte. Radial 2×LF → entrefer / enroulements / alimentation. Axial 2×LF + 1X → déplacement du champ électromagnétique — l'un des défauts les plus destructeurs.
3. Les bandes latérales racontent l'histoire. ± ⅓×LF → problèmes de câble d'alimentation. ± F_p → barres de rotor cassées. Le motif de la bande latérale est souvent plus révélateur que le pic principal.
4. La résolution spectrale est essentielle. Pour les moteurs bipolaires à 50 Hz, l'écart entre les signaux 2X et 2×LF n'est que d'environ 2 Hz. Une résolution ≤ 0,5 Hz est impérative.
5. Combiner les méthodes. Vibration + MCSA + MCA + Thermographie. Aucune méthode ne permet de détecter à elle seule tous les défauts.
6. Parlez aux électriciens. Le personnel chargé de la réparation des moteurs possède des connaissances irremplaçables sur les moteurs spécifiques, leur historique et leurs conditions d'approvisionnement.

Flux de travail recommandé

Étapes de diagnosticMCSAVérification Suivez scrupuleusement cette procédure. Le test de coupure de courant (étape 2) ne prend que quelques secondes et permet de distinguer avec fiabilité une panne électrique d'une panne mécanique.

Les vibromètres portables modernes à double canal, tels que les Balanset-1A permettre aux ingénieurs de terrain d'effectuer une analyse spectrale des vibrations avec la résolution et la précision de phase requises pour l'identification des défauts du moteur — de la détection des entrefers irréguliers à l'équilibrage in situ du rotor par le biais de l'analyse de phase croisée.